塑胶齿轮材料推荐.docx

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塑胶齿轮材料推荐

Stanyl®vonDSMalsausgezeichnetesZahnradMaterial

füranspruchsvolleAnwendungen

Dr.H.K.vanDijk,DSMEngineeringPlastics,P.O.Box604,NL-6160APGeleen,Niederlande

Dr.Ing.H.G.H.vanMelick,DSMResearch,MaterialScienceCentre,P.O.Box18,

NL-6160MDGeleen,Niederlande

J.Koenen,DSMEngineeringPlastics,P.O.Box604,NL-6160APGeleen,Niederlande

Zusammenfassung

StanylvonDSMisteinausgezeichnetesMaterialfürGetriebeinanspruchsvollenAnwendungenbezüglichderzuübertragendenDrehmomenteundderBetriebstemperaturen.

Stanyl,einPolyamid46（PA46）,hateineKristallinitätvon70%,wassehrgutetribologischeEigenschaften（Verschleiß-undAbriebbeständigkeit）undeinenausgezeichnetenErhaltdermechanischenEigenschaften（Festigkeit,Steifigkeit）beierhöhtenTemperaturenerschließt.DasMaterialermöglichtsehrkurzeZykluszeitenmitwassergekühltenWerkzeugen.

DerbessereErhaltdermechanischenEigenschaftenbeierhöhtenTemperaturen（>100°C）erlaubtdieKonstruktionkleinererZahnräderalsmitPA66oderPPAfürgleichezuübertragendeDrehmomente.

DieüberlegenenmechanischenEigenschaftenvonStanylgegenüberPA66undPPAbeierhöhtenTemperaturenlassensichdurchTempernderSpritzteileweiterverbessern.TempernisteineWärmebehandlungderSpritzteilebeihohenTemperaturen.AlsResultaterhöhtesdieSteifigkeitundFestigkeitvonStanylbeiTemperaturenoberhalbderGlasübergangstemperaturumjeweils50%.AlsvorteilhafterNebeneffektlässtsichdieWasseraufnahmedabeiaufdasNiveauvonPPAreduzieren.DiesisteinherausragendesMerkmalvonStanyl.DieTemperwirkungistirreversibelundvoneinemAnstiegderMolmassebegleitet.WeitereVorteiledesTempernssinderhöhteErmüdungsbeständigkeitundnochbesseretribologischeEigenschaften.

DSMhatdasTempernvonStanylausführlicherprobt.DieerforderlichenZeitenundTemperaturenfürerwünschteEffekteunddieAuswirkungaufdieSchwindungderTeilesindberechenbar.EinKostenmodellstehtebenfallszurVerfügung.

EinewichtigeFolgedesTempernsbestehtdarin,dassdieAbmessungstoleranzenbeierhöhtenTemperaturenvomKoeffizientenderlinearenWärmeausdehnungundnichtmehrvondendurchdieWasseraufnahmebedingtenMaßänderungenabhängen.

UmzusätzlicheNachweisdatenfürunsereKundenzuerhalten,werdenanderTechnischenUniversitätvonBerlinderzeitTestsmitmehrerenrepräsentativen,vollgeschmiertenStanyl-TypenundbeiDSMinGeleenTrockenlaufmessungenmitmehrerenStanyl-TypenaufStahldurchgeführt.

ZudenbereitskommerzialisiertenStanyl-GetriebeanwendungenzählenZahnräderfürElektromotorischeStellantriebDrosselklappen（Hitachi,Denso）undElektrischeLenksysteme（HondaCivic,HondaInsight）sowieGetriebeteilefürAnlasser（äußererZahnring）,elektrischeFensterheberundSitzverstellungen.

1AllgemeineVorbemerkungenzuStanylPA46

StanylPolyamid46vonDSMisteinthermoplastischesHochtemperaturpolymer.DieMolekülkettenbestehenausAdipinsäureundDiaminobutan,waszueinemsehrsymmetrischenAufbauderKettenführt.Bild1zeigtdieMolekülstrukturvonStanylimVergleichzuPA66undPA6.

Bild1MolekularstrukturvonStanylimVergleichzuPA66undPA6

DieRegelmäßigkeitderKettenzeigtsichdeutlichdaran,dasszwischenjederAmidbindungvierCH2-Anteilevorhandensind.

ResultatdiesesäußerstregelmäßigenAufbausisteinsehrschnellkristallisierendesMaterialmiteinerhohenKristallinitätvon70%.DerSchmelzpunktliegtbei295°C,dieGlasübergangstemperatur（Tg）bei80°C.PA66undPA6habennormalerweiseeineKristallinitätum50%,beiPPAliegtsiemeistum30%.

DiehoheKristallisationsgeschwindigkeitvonStanylermöglichtsehrkurzeZykluszeitenbeiderVerarbeitungdesMaterialsinwassergekühltenWerkzeugen.DieWerkzeugtemperaturliegtzwischen80°Cund120°C.

AlswichtigeFolgederschnellenKristallisationunddersichdarausergebendensphärolithischenStrukturhatStanylmit10 kJ/m2einerelativhoheSchlagzähigkeitgegenüberPA6undPA66mit5bis7 kJ/m2（gemessenanspritztrockenenProben）.

DiehoheKristallinitätwiederumträgtentscheidendzumErhaltdermechanischenEigenschaften（Festigkeit,Steifigkeit）beiTemperaturenüberTgbei.Bild2zeigtdieüberlegeneSteifigkeitvonStanylimVergleichzudiversenWettbewerbsmaterialienbeierhöhtenTemperaturen.

Bild2SteifigkeitvonStanylgegenüberWettbewerbsmaterialienin

AbhängigkeitvonderTemperatur（DMA-Plots）

AufgrundderbesserenmechanischenHochtemperatureigenschafteneignetsichStanylzurKonstruktionkleinererZahnräder（ohnefeststehendenAchsabstand）mitgleicherDrehmomentübertragung.DieserVorteillässtsichdurchtempernvonStanylnochausbauen,wieweiteruntenerläutert.

2TempernvonStanylzurweiterenVerbesserungderHochtemperatureigenschaftenbeigleichzeitigerReduzierungderWasseraufnahme

2.1PolyamideundWasseraufnahme

AllePolyamidenehmenFeuchtigkeitauf.DasAusmaßderFeuchtigkeits-oderWasseraufnahmehängtvorwiegendvonzweiParameternab–derPolaritätoderHydrophilieundderKristallinitätdesMaterials.

DiePolaritätkannalsVerhältnisderNHCO-zudenCH2-Gruppenausgedrücktwerden.AusBild1lässtsichableiten,dassdiesesVerhältnisbeiStanylamgrößtenist,waseszumMaterialmitderhöchstenPolaritätmacht.

DieBedeutungderKristallinitätfürdieWasseraufnahmeergibtsichausderTatsache,dassdieFeuchtigkeitinderamorphenPhasedesMaterialsaufgenommenwird.JehöherdieKristallinität,destoniedrigerdiezuerwartendeWasseraufnahme.

InTabelleIistdieWasseraufnahmevonStanyl,PA66undPA6bei23°Cund50%relativerLuftfeuchtedargestellt.

TabelleI:

WasseraufnahmevonStanyl,PA66undPA6beiunterschiedlicherUmgebungsfeuchtigkeit（r.L.）

50%r.L.

75%r.L.

100%r.L.

PA6

3,5

5,5

11

PA66

3

5

9

PA46

4

7

13

PA46getempert

2

3,5

6,5

PPA

2,5

4,2

6

Modellberechnungenhabenergeben,dassdiehöhereFeuchtigkeitsaufnahmevonStanylimVergleichzuWettbewerbsmaterialiennichtmitderunterschiedlichenPolaritäterklärtwerdenkann.ObwohlStanyldiehöchstePolaritätaufweist,hatesauchdiehöchsteKristallinität.

HauptgrundfürdierelativhoheWasseraufnahmevonStanylistdievergleichsweiseniedrigeDichteseineramorphenPhase.DiesisteineunmittelbareFolgederextremschnellenKristallisationvonStanyl.BeimAbkühlenderSchmelzefrierendiesichparallelzurschnellenKristallisationbildendenKettenderamorphenPhasesofortein,sodassdieseeinrelativgroßesfreiesVolumenhat,wasdierelativhoheWasseraufnahmevonStanlyerklärt.

2.2TempernundReduzierenderWasseraufnahme

DurchTempernlässtsichdasAusmaßunddieGeschwindigkeitderWasseraufnahmevonKunststoffensubstanziellreduzieren,dadieamorphePhasehierbeizueinerausgeglicheneren,dichterenStrukturfindet.DasTempernwirdvoneinermessbarenZunahmederMaterialdichtebegleitet.BeiunverstärktemStanylwurdeeineZunahmevon1,18auf1,21 g/cm3beobachtet.

EinewichtigezweiteAuswirkungdesTempernsistdieinWAXS-MessungennachgewiesenePerfektionierungderschonbestehendenKristalle.BeimTempernnimmtderH-WertderDDLKenormzu,waszueinembedeutendenTeilaufdiebeobachtetePerfektionierungderKristallezurückzuführenist.

TempernstehtfürdieWärmebehandlungdesMaterialsbeihohenTemperaturenzwischenTgunddemSchmelzpunkt.DerEffektistirreversibelundführtzueinersubstanziellenZunahmederMolmasse.DSMhateinModellverfahrenentwickelt,dasfürspezifischeTemperzeitenundTemperaturenziemlichpräziseAussagenüberdiezuerwartendeReduzierungderWasseraufnahmeerlaubt.

WieBild3deutlichzeigt,istdieReduzierungderWasseraufnahmedurchTemperneinherausragendesMerkmalvonStanyl.

Bild3WasseraufnahmevonglasfaserverstärktemStanyl,PA66undPPAinAbhängigkeitvonunterschiedlichenTemperbedingungen

Bild4illustriertdiereduzierteFeuchtigkeitsaufnahmeundAufnahmegeschwindigkeitnachTempernvonunverstärktemStanylTW341bei260°C.ZumVergleichistauchdieWasseraufnahmevonPA66undGieß-PA6（bei100%r.L.）dargestellt.

Bild4WasseraufnahmevonunverstärktemStanylnachunterschiedlichenTemperzeitenbei260°C

UmeinModellfürpraxistauglicheBerechnungenzuerhalten,wurdeneinigedieserKurvenbeiunterschiedlichenTemperaturenerstellt.Bild5zeigtErgebnissevonVersuchen,dieWasseraufnahmeaufdasNiveauvonPA66oderGieß-PA6zureduzieren.

Bild5TemperversuchezumErreichenderWasseraufnahmevonungefülltemStanylaufdemNiveauvonPA66undGieß-PA6

AlswichtigeFolgederreduziertenWasseraufnahmevonStanylnachdemTempernverringernsichauchdieAbmessungsänderungenderFormteileundderVerlustdermechanischenEigenschaften.

SowurdendieAbmessungsänderungenbeieinemZahnradausGieß-PA6nachSättigungmitWasserbei100%r.L.mitdenenbeieinemZahnradausunverstärktemStanyljeweilsmitundohneVortempernverglichen.DieErgebnissesindinTabelleIIzusammengefasst.

TabelleII:

AbmessungsänderungenbeiWasserlagerungohneundmitvorherigemTempern（24hbei230°C）

OhneVortempern

MitVortempern

TW341:

VeränderungdesTeilkreisdurchmessers（%）

2,8

1,2

TW341:

VeränderungderWanddicke（%）

4,2

2,1

Gieß-PA6:

VeränderungdesTeilkreisdurchmessers（%）

1,2

Nichtgeprüft

Gieß-PA6:

VeränderungderWanddicke（%）

2,0

Nichtgeprüft

DierelativhoheAusdehnungderWanddickeliegtaneinerStahlnabe,dieeineradialeAusdehnungbiszueinemgewissenGradverhindert.ImAllgemeinenlässtsichsagen,dassdieAbmessungsänderungenderFormteilenachdemTempernnichtvonderWasseraufnahme,sondernvomlinearenWärmeausdehnungskoeffizientenbeherrschtwerden.

（Bild5.1）Stanylunverstärkt–AbmessungenvordemTempern

（Bild5.2）Stanylunverstärkt–Abmess